Hayat, M. F. (2012). Modelling and analysis of all - optical burst switched nodes [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/161210
In dieser Dissertation werden Zugangsknoten und Kernknoten der optischen Burstvermittlung einzeln in angemessener Detailiertheit als auch im Netzverbund analysiert.<br />Die Funktionen der Zugangsknoten inkludieren das Zusammenfassen des Datenverkehrs in der Form von Bursts. Diese Bursts werden nach der Entscheidung fuer eine Route zur Uebertragung auf einer zugewiesenen Wellenlaenge disponiert. Das Zusammenfassen der Verkehrsstroeme an den Zugangsknoten, {burst assembly} genannt, ist grundlegend fuer die Analyse der Gesamtguete von optischen Burstnetzen. Es beeinflusst das Design beinahe aller wesentlichen Komponenten und Funktionen der Netzknoten. In dieser Arbeit wird eine neue wahrscheinlichkeitstheoretische Technik erdacht um den Burstassembly-Prozess zu analysieren. Ein auf Transformation basierender Ansatz wird weiters verwendet um die Verteilungsfunktionen der Burst-Laenge und der zeitlichen Abstaende zwischen aufeinanderfolgenden Bursts zu finden. Diese sind wesentlich fuer das Design der Zugangspuffer, {burst transmission queue} genannt. In Folge wird der Ausstoss vieler {burst assembly} Warteschlangen beruecksichtigt um den ueberlagerten Eingangsprozess in die Zugangspuffer zu verstehen. Die zeitliche Disponierung der Zugangsknoten ist eine weitere Hauptfunktion, welche gesehen werden kann als das Problem des Entlassens eines Bursts in das Kernnetz in einer Art die Wartezeitlimits und Kapazitaetsbedarf erfuellt. Um Dienstgueten bereitzustellen ist eine Zuordnung von Paket- und Burst-Prioritaeten wichtig und Dispositionsalgorithmen werden dafuer verwendet. Modelle basierend auf Markov-Ketten werden in dieser Arbeit entwickelt um die bekannten Dispositionsalgorithmen zu analysieren.<br />Die Kernfunktionalitaeten in optischen Burstnetzen beinhalten die Verarbeitung der Burst-Kontrollpakete und das Disponieren der ankommenden Bursts auf weiterfuehrende Wellenlaengenkanaele. Die optische Uebertragung von Bursts ist prinzipbedingt nicht kollisionsfrei weil bis heute keine zeitinvarianten optischen Speicher zur Verfuegung stehen um first-in-first-out Pufferspeicher zu realisieren. Beinahe die gesamte Forschung im Bereich der optischen Burstnetze hat die Minimierung der Verluste durch Burszkollissionen zum Ziel.<br />Die in der Literatur beschriebenen Stauaufloesungsmethoden beziehen sich auf den zeitlichen, den raeumlichen und den Wellenlaengen Bereich.<br />Zeitaufloesung wird durch Verzoegerungsleitungen (fibre delay lines - FDLs) erreicht, wobei einige ankommende Bursts verzoegert werden um Kollissionen mit anderen Bursts zu verhindern. Raummultiplexen wird durch die Bereitstellung mehrerer Ausgangsglasfasern verwendet.<br />Aufloesung im Wellenlaengenbereich bezieht sich auf die Aenderung des urspruenglichen Wellenlaengenkanals eines Burst und das Weiterleiten auf einen neuen, verfuegbaren Wellenlaengenkanal am Augang. Diese drei Methoden koennen zur Erhoehung der Effektifitaet auch kombiniert werden.<br />In dieser Arbeit wird ein Burst vermittelnder Kernknoten mit unterschiedlichen Wellenlaengenkonvertierungskonfigurationen analysiert.<br />Die Modelle werden entwickelt um pufferlose Architekturen mit gemeinsam genutzen Wellenlaengenkonvertierern als auch bereichslimitierten Wellenlaengenkonvertie-rern zu analysieren. Die Leistungsfaehigkeit der Architekturen werden sowohl fuer das klassische Erlang Verkehrsmodell als auch fuer Engset basierte Verkehrsbedingungen untersucht. Die Modelle werden dann fuer Knoten mit einer von allen Ausgaengen gemeinsam genutzen Wellenlaenkenkonvertierergruppe verwendet. Eine neue Makrovketten basierte Loesung fuer symmetrische Verkehrsverteilung wird gezeigt und fuer die Modellierung eines Knoten mit relativ grosser Anzahl an Verbindungen verwendet. Fuer die gleiche Architektur mit asymetrischer Verkehrslast wird ein Naeherungsansatz basierend auf Problemzerlegung vorgestellt und mit Hilfe ausfuehrlicher Simulationen ueberprueft. Vielfaserarchitekturen und Architekturen mit grossen Ausgangszahlen werden ebenfalls diskutiert und ein Naeherungsverfahren basierend auch der Ueberlauftheorie wird verwendet um diese zu analysieren. Weiters werden Modellierungsansaetze diskutiert um einen einzelnen Verzoegerungsleitungspuffer zu analysieren. Architekturen mit Puffern werden praesentiert und wiederum ein neues analytische Model vorgeschlagen fuer einen Knoten der gemeinsam genutze Verzoegerungsleitungspuffer und Wellenlaengenkonvertierer verwendet.<br />Ein wichtiges Problem deroprischen Burstnetze ist die Bereitstellung von Dienstguete. Die verfuegbaren Ansaetze hierfuer werden zusammengefasst und eine neue Methode fuer Diestedifferenzierung basierend auf gemeinsam genutzen Wellenlaengenkonvertierungs-resourcen wird vorgestellt. Alle analytischen Methoden werden durch Simulationen mittels eines am Institut entwickelten Simulators ueberprueft um die Exaktheit der mathematischen Prozeduren zu zeigen.
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Optical burst switching (OBS) has been proposed as a new switching paradigm in attempts to develop an all-optical transport infrastructure. It incorporates the prospects of both: coarse-grained optical circuit switching and fine-grained optical packet switching and is considered as an implementable solution.<br />This work aims at analytical modelling, evaluation and dimensioning of optical burst switched networks. The motivation is that the optical burst switching is still evolving and it demands more in-depth studies both in theory and in experiment before it can be realized. In addition, the stimulus of this work is to contribute to an extensive research for a highly scalable all-optical backbone network.<br />In this thesis, edge and core functions of optical burst switched network are analyzed individually in a reasonable depth along with the evaluations at network scale.<br />The edge functions include traffic grooming in the form of bursts. These bursts are then scheduled on assigned wavelengths after routing decision. The traffic grooming at edge node, called burst assembly, is crucial in analyzing the overall performance of OBS networks. It almost affects the design of all major functions of OBS nodes. In this work, a new probabilistic technique is devised to analyze the assembly process.<br />A transform based approach is then used to find the burst length and burst inter-departure distributions. Both are essential in designing the edge scheduler buffers called burst transmission queues. The output of many assembly queues is then considered in order to understand the superposed burst inter-arrival process to transmission buffers. The edge scheduling is another main function which can be viewed as a problem of sending the bursts into the core network such that delay and bandwidth criteria are fulfilled. To provide quality of service, the mapping between packets and bursts priorities is important and scheduling algorithms are used for this purpose. Markov chain models are developed in this work to analyze the well-known scheduling algorithms.<br />The core functions in optical burst switched networks include processing of burst control packets and scheduling of incoming burst on output wavelength channels. All-optical transmission of bursts intrinsically faces collisions because till today no optical random access memories exist to build first-in-first-out buffers. Nearly the entire research in OBS core is focussed on minimizing the losses due to burst collisions. The contention resolution methods investigated in the literature refer to the time, space and wavelength domains. Time resolution is realized using fiber delay lines (FDLs) which delay some of the incoming bursts to prevent them colliding with other. Space multiplexing is used by having more fibers per output port. Wavelength domain resolution refers to changing the original wavelength channel of a burst and directing it to another available channel at the output port. These three methods can also be combined to increase their effectiveness. In this work, an OBS core node with various configurations of wavelength converters is analyzed. The models are developed to analyze a bufferless architecture with shared wavelength conversion, and with limited-range wavelength conversion. The performance of the architectures are also evaluated under Engset traffic conditions in addition to the conventional Erlang traffic model. The models are then introduced for a node with a common wavelength converter pool shared among all output links. A new Markov chain based solution is provided under symmetric traffic conditions which is used to model a switch with a relatively large number of links. For the same architecture with asymmetric traffic load, an approximate approach with decomposition is introduced and verified with the help of extensive simulations. Multi-fiber architectures and architectures with a large number of output ports are also discussed and an approximate modelling approach based on overflow theory is used to analyze them. Next modelling approaches are discussed to model a single FDL buffer. Architectures with buffers are then introduced and again a new analytical model is proposed for a node using shared FDL buffers and wavelength converters.<br />An important issue in optical burst switched networks is the provision for quality of service (QoS). The available QoS approaches are recalled and a new method is proposed for service differentiation using shared wavelength converter resources. All analytical methods are verified by simulations using an in-house developed simulator to show the exactness of mathematical procedures.<br />Analytical modelling in general helps to understand the potential of OBS paradigm and gives an insight into various functions of OBS networks.